連續(xù)流硝化適用范圍

自由基硝化反應(yīng)通常高溫高壓，連續(xù)流微通道反應(yīng)器可能適用于個別底物，單不具有普適性。

底物有羥基、氨基等活性基團(tuán)的硝化反應(yīng)往往反應(yīng)很劇烈適合連續(xù)流微通道反應(yīng)器。

芳香環(huán)化合物硝基化是最重要的一類硝化反應(yīng)。連續(xù)流微通道反應(yīng)器適用性主要受到不同取代基引起的芳環(huán)活性影響。

硝化反應(yīng)是研究最多的有機(jī)反應(yīng)之一。芳香族和脂肪族化合物都可以通過各種方法硝化，例如異裂（親電和親核）和自由基硝化。芳香族化合物硝化最常見的是親電，脂肪族是自由基。硝基芳香族化合物在塑料、藥物、染料、炸藥和殺蟲劑的合成中作為中間體具有重要用途。硝基脂肪族化合物在有機(jī)合成中用作溶劑和合成子。最常見的硝化混合物是硝酸和硫酸的組合，眾多文獻(xiàn)中提供許多不同的方法。

硝化反應(yīng)(nitration)，是向有機(jī)化合物分子中引入硝基(-NO2)的過程。硝基就是硝酸失去一個羥基形成的一價的基團(tuán)。芳香族化合物硝化的反應(yīng)機(jī)理為：硝酸的-OH基被質(zhì)子化，接著被脫水劑脫去一分子的水形成硝酰正離子中間體，最后和苯環(huán)發(fā)生親電芳香取代反應(yīng)，并脫去一分子的氫。

硝化反應(yīng)中芳香環(huán)的電子密度會決定硝化的反應(yīng)速率，當(dāng)芳香環(huán)的電子密度越高，反應(yīng)速率就越快。由于硝基本身為一個親電體，所以當(dāng)進(jìn)行一次硝化之后往往會因為芳香環(huán)電子密度下降而抑制第二次以后的硝化反應(yīng)。必須要在更劇烈的反應(yīng)條件(如高溫)或是更強(qiáng)的硝化劑下進(jìn)行。

脫水劑：濃硫酸、冰醋酸、乙酐、五氧化二磷。

硝化劑：硝酸、五氧化二氮。

連續(xù)流硝化反應(yīng)的主要方法

硝化方法主要有：稀硝酸硝化、濃硝酸硝化、在濃硫酸中用硝酸硝化、在有機(jī)溶劑中用硝酸硝化和非均相混酸硝化等。

連續(xù)流硝化反應(yīng)的注意事項

1.稀硝酸硝化一般用于含有強(qiáng)的第一類定位基的芳香族化合物的硝化，反應(yīng)在不銹鋼或搪瓷設(shè)備中進(jìn)行，硝酸約過量10~65%。

2.濃硝酸硝化這種硝化往往要用過量很多倍的硝酸，過量的硝酸必需設(shè)法利用或回收，因而使它的實際應(yīng)用受到限制。

3.濃硫酸介質(zhì)中的均相硝化當(dāng)被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下為固體時，常常將被硝化物溶解于大量濃硫酸中，然后加入硫酸和硝酸的混合物進(jìn)行硝化。這種方法只需要使用過量很少的硝酸，一般產(chǎn)率較高，缺點是硫酸用量大。

4.非均相混酸硝化當(dāng)被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下都是液體時，常常采用非均相混酸硝化的方法，通過強(qiáng)烈的攪拌，使有機(jī)相被分散到酸相中而完成硝化反應(yīng)。

5.有機(jī)溶劑中硝化這種方法的優(yōu)點是采用不同的溶劑，常常可以改變所得到的硝基異構(gòu)產(chǎn)物的比例，避免使用大量硫酸作溶劑，以及使用接近理論量的硝酸。常用的有機(jī)溶劑有乙酸、乙酸酐、二氯乙烷等。

此外，混酸硝化法還具有以下特點：

(1)被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下是液態(tài)的，而且不溶于廢硫酸中，因此，硝化后可用分層法回收廢酸;

(2)硝酸用量接近于理論量或過量不多，廢硫酸經(jīng)濃縮后可再用于配制混酸，即硫酸的消耗量很小;

(3)混酸硝化是非均相過程，要求硝化反應(yīng)器裝有良好的攪拌裝置，使酸相與有機(jī)相充分接觸;

(4)混酸組成是影響硝化能力的重要因素，混酸的硝化能力用硫酸脫水值(DVS)或硝化活性因數(shù)(FNA)表示。DVS是混酸中的硝酸完全硝化生成水后，廢硫酸中硫酸和水的計算質(zhì)量比。FNA是混酸中硝酸完全硝化生成水后，廢酸中硫酸的計算質(zhì)量百分濃度。DVS高或FNA高表示硝化能力強(qiáng)。對于每個具體硝化過程，其混酸組成、DVS或FNA都要通過實驗來確定它們的適宜范圍。

如今，硝化的主題仍然很受關(guān)注和活躍，化學(xué)家正在不斷研究更有效和選擇性的硝化方法。選擇性在硝化中可能是一個挑戰(zhàn)，因為通常可能會產(chǎn)生不止一種化合物。但最終可能只需要一種目標(biāo)產(chǎn)物，因此不需要產(chǎn)物會成為污染物或被浪費(fèi)掉。 因此，需要設(shè)計具有合適選擇性的合成，例如通過控制反應(yīng)條件。

連續(xù)流技術(shù)，尤其是 MICROFLU? 連續(xù)流微通道反應(yīng)器，是優(yōu)化當(dāng)前硝化工藝條件參數(shù)知識的工具之一。由于這種方法的優(yōu)點，可以以簡單和連續(xù)的方式管理耗時的酸混合物制備。停留時間的可靠控制使生產(chǎn)硝化產(chǎn)品比以前更有選擇性。采用微通道反應(yīng)器后，整個反應(yīng)工藝也可以切換成連續(xù)流生產(chǎn)工藝，再匹配連續(xù)化的后處理工藝，例如采用萃取塔、離心萃取機(jī)等連續(xù)分離設(shè)備，可以將整條生產(chǎn)線的自動化程度大大提高。

硝化反應(yīng)的產(chǎn)品種類很多，其主要應(yīng)用于醫(yī)藥、農(nóng)藥、染料、顏料等。在軍事工業(yè)中主要作為火藥、推進(jìn)劑及含能材料。另外，可利用硝基的強(qiáng)極性，使芳環(huán)上其它取代基活化從而更容易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。因其反應(yīng)速度快，放熱量大，放熱量一般在150-300KJ/mol之間，硝化產(chǎn)物極不穩(wěn)定，尤其多硝基化合物極易爆炸，給生產(chǎn)安全造成極大隱患。

硝化反應(yīng)是向芳環(huán)上引入硝基進(jìn)一步制備氨基化合物的一條重要途徑，進(jìn)而制備酚、氟化物等化合物。硝化反應(yīng)放熱劇烈，反應(yīng)快，控制不好會引起爆炸，因而熱量的移除是控制硝化反應(yīng)的突出問題之一。硝化反應(yīng)要求保持適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)溫度，以避免生成多硝基物和氧化等副反應(yīng)。為了保持一定的硝化溫度，通常要求硝化反應(yīng)器具有良好的傳熱裝置。

在芳環(huán)和雜環(huán)上引入硝基的目的主要有三個方面：

1) 將引入的硝基轉(zhuǎn)化為其他的取代基，例如硝基還原，是制備芳伯胺的一條重要的合成路徑。

2) 利用硝基的強(qiáng)吸電性使芳環(huán)上的其他取代基（特別是氯基）活化，易于發(fā)生親核置換反應(yīng)。

3) 利用硝基的特性，賦予精細(xì)化工產(chǎn)品的某種特性，例如染料的顏色加深，作為藥物、炸藥或溫和的氧化劑等。

硝化反應(yīng)特點：速度快、放熱量大、原料本身燃爆危險性、產(chǎn)物或副產(chǎn)物的爆炸危險性。

連續(xù)流微通道反應(yīng)器在硝化反應(yīng)中優(yōu)勢：精確溫度控制、縮短反應(yīng)時間、提高轉(zhuǎn)化率和選擇性。與傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)技術(shù)相比，能夠?qū)崿F(xiàn)更環(huán)保而且占地面積非常小，同時又能合理利用資源不會造成能耗高。微通道反應(yīng)器是利用精密加工技術(shù)制造的特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間的連續(xù)反應(yīng)器，其內(nèi)部特殊的通道結(jié)構(gòu)可以大幅強(qiáng)化傳質(zhì)效果，為硝化反應(yīng)的精確、穩(wěn)定、安全進(jìn)行提供了可行的解決方案。由于硝化危險性大，建議采用本質(zhì)安全的微通道反應(yīng)技術(shù)，可以從源頭解決安全問題，真正做到“本質(zhì)安全”。

一、與傳統(tǒng)的釜式生產(chǎn)工藝相比，對于危險工藝-硝化反應(yīng)，使用連續(xù)流反應(yīng)器可以實現(xiàn)本質(zhì)安全，優(yōu)勢明顯。

(1) 安全性能顯著提高：持液量低、反應(yīng)停留時間短，爆炸性混合物產(chǎn)生的概率也大幅度降低。

a. 總持液量低。連續(xù)流微通道反應(yīng)器，整體設(shè)備的持液量不到10L，針對硝化原料、產(chǎn)物、硝化劑等危險化學(xué)品的危險性而言，因其總用料量大幅減小，所以與傳統(tǒng)間歇釜對比而言其安全性顯著提高。

b.自控程度高。在實現(xiàn)自動控制的基礎(chǔ)上，設(shè)有流量、壓力、溫度的檢測及控制，同時設(shè)置超壓、超溫安全聯(lián)鎖。嚴(yán)格控制工藝參數(shù)，避免手動操作的不安全隱患，降低勞動強(qiáng)度、改善作業(yè)環(huán)境，而且能更好的實現(xiàn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、長周期的安全運(yùn)行。

c.換熱效率高。連續(xù)流微通道反應(yīng)器利用精密加工技術(shù)制造特征尺寸在幾十微米到幾毫米之間，借助擴(kuò)散與結(jié)構(gòu)設(shè)計形成的局部渦流碰撞，增加兩相接觸面積，使得流體充分接觸、混合、傳質(zhì)，提高反應(yīng)效率，針對強(qiáng)放熱的反應(yīng)可以及時移走反應(yīng)熱，有效避免由于反應(yīng)放熱量大導(dǎo)致的釜飛溫的安全事故。

(2) 控溫系統(tǒng)改進(jìn)

高溫有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行。與傳統(tǒng)釜式生產(chǎn)相比，微通道反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行硝化反應(yīng)可普遍提高反應(yīng)溫度。因此在換熱介質(zhì)用量方面，冷媒的用量大大減少，每年可節(jié)約1/3左右的冷媒。

(3)效率提升：使用微反應(yīng)器之后極大縮短反應(yīng)時間，提升了效率。一般需要幾分鐘就可以得到較高的轉(zhuǎn)化率和選擇性

在微通道反應(yīng)器內(nèi)的硝化反應(yīng)，反應(yīng)的溫度可以精確控制，因此可通過升溫的方式和直接混合的方式將反應(yīng)時間由十幾小時縮短至幾分鐘，甚至十幾秒。

(4)操作方式改進(jìn)

較傳統(tǒng)的人工投料和硝酸的長時間滴加操作而言，微反連續(xù)化工藝簡化了反應(yīng)工藝，在操作方式上將間歇反應(yīng)改為連續(xù)反應(yīng)，實現(xiàn)連續(xù)化生產(chǎn)降低了操作人員的使用數(shù)量。

（5）節(jié)約占地：撬裝化的設(shè)計理念，將進(jìn)料系統(tǒng)、反應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)集成在一起，將占地幾百平米的傳統(tǒng)反應(yīng)裝置，濃縮至幾平米的空間，極大的節(jié)約了設(shè)備的占地面積。

（6）穩(wěn)定性：使用微通道連續(xù)流反應(yīng)器之后，制備的化合物品質(zhì)很穩(wěn)定，雜質(zhì)的種類減少，含量穩(wěn)定，這對于制藥企業(yè)是一個很大的優(yōu)勢

微通道（連續(xù)流）反應(yīng)器與常規(guī)反應(yīng)器相比，其內(nèi)部通道直徑非常小，擁有極大的比表面積，可達(dá)常規(guī)反應(yīng)器比表面積的幾百倍甚至上千倍，因此產(chǎn)生極大的換熱效率和傳質(zhì)效率，可以精確控制反應(yīng)溫度，確保反應(yīng)物料瞬間混合，有助于提高化學(xué)反應(yīng)收率、選擇性、安全性，以及產(chǎn)品質(zhì)量。

與常規(guī)釜式反應(yīng)器相比，微通道反應(yīng)器具有以下特點：①通道幾何特性，②傳遞和宏觀流動特性，③強(qiáng)化傳遞過程，④提高產(chǎn)品收率和選擇性，⑤利于溫度控制，⑥安全性能高，⑦放大問題。與傳統(tǒng)化工間歇設(shè)備相比，微化工設(shè)備可以實現(xiàn)化工過程的連續(xù)化生產(chǎn)，具有一定的生產(chǎn)靈活性，并且化工設(shè)備高度集中，節(jié)約生產(chǎn)空間。微反應(yīng)器本身強(qiáng)大的傳熱和傳質(zhì)能力除了可以精確、安全控制反應(yīng)過程，還有可以提高環(huán)境資源和能量的利用效率，實現(xiàn)化工過程的高效化、微型化和綠色化。

微通道反應(yīng)器適合的反應(yīng)：①放熱劇烈的反應(yīng)；②反應(yīng)物或產(chǎn)物不穩(wěn)定的反應(yīng)；③反應(yīng)物配比要求很嚴(yán)的快速反應(yīng)；④危險化學(xué)反應(yīng)以及高溫高壓反應(yīng)。

二、硝化反應(yīng)工藝危險特點

1.反應(yīng)速度快，放熱量大。大多數(shù)硝化反應(yīng)是在非均相中進(jìn)行的，反應(yīng)組分的不均勻分布容易引起局部過熱導(dǎo)致危險。在常規(guī)反應(yīng)釜中一旦攪拌再次開動，就會突然引發(fā)局部激烈反應(yīng)，瞬間釋放大量的熱量，引起爆炸事故；

2.反應(yīng)物料具有燃爆危險性；

3.硝化劑具有強(qiáng)腐蝕性、強(qiáng)氧化性，與油脂、有機(jī)化合物，尤其是不飽和有機(jī)化合物接觸能引起燃燒或爆炸；

4.硝化產(chǎn)物、副產(chǎn)物具有爆炸危險性。

三、硝化工藝連續(xù)化

為了降低生產(chǎn)的危險性，傳統(tǒng)的硝化工藝多是通過向反應(yīng)釜中滴加混酸的方式反應(yīng)。該方式有以下幾個特點：

(1) 反應(yīng)為間歇生產(chǎn)，混酸滴加時間長，通常為幾個小時，甚至十幾個小時，生產(chǎn)效率低；

(2) 反應(yīng)釜傳熱效果有限，如換熱不及時，易造成釜內(nèi)“飛溫”或“暴沸”，反應(yīng)失控；

(3) 釜內(nèi)溫度升高，硝化劑易發(fā)生氧化，硝化產(chǎn)物及副產(chǎn)物有燃爆危險；

(4) 混酸用量大，且后處理困難。

四、連續(xù)流微通道反應(yīng)器在硝化反應(yīng)中應(yīng)用特點及案例

硝化反應(yīng)是一個快速的強(qiáng)放熱反應(yīng)過程，在常規(guī)反應(yīng)器中硝化反應(yīng)如果控制不當(dāng)就會引起溫度飛升、噴料或爆炸等現(xiàn)象。芳烴硝化是合成許多含能材料如TNT中間體的重要反應(yīng)，在該系列反應(yīng)過程中如果反應(yīng)物混合不均、反應(yīng)熱不及時移除會導(dǎo)致一系列副產(chǎn)物。微通道(連續(xù)流)反應(yīng)器由于有較大的比表面積和獨(dú)特的混合結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的傳熱性能和混合效果，可以高效地控制反應(yīng)進(jìn)程和熱量交換，降低副反應(yīng)的發(fā)生，從而提高反應(yīng)的安全性和選擇性。

(1) N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反應(yīng)，采用硝酸直接硝化的方法，反應(yīng)方程式與反應(yīng)機(jī)理如圖

圖2 N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺硝化反應(yīng)方程式

以N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺為原料，95%硝酸為硝化試劑，在微通道反應(yīng)器中進(jìn)行反應(yīng)，結(jié)果顯示:在反應(yīng)溫度為20℃、N-(l-乙基丙基)-N-乙酰基-3,4-二甲基苯胺與95%發(fā)煙硝酸的摩爾比為1:2.6時，停留時間為10s就可達(dá)到理想的反應(yīng)效果，原料基本轉(zhuǎn)化完全，與傳統(tǒng)反應(yīng)釜相比反應(yīng)時間大大縮短、反應(yīng)效率顯著提高，安全性也大大提高。

   (2) 以吡唑為原料，在硝酸-乙酸酐體系下硝化合成N-硝基吡唑，再在苯甲腈中熱重排制備3-硝基吡唑，之后在硝硫混酸體系下硝化合成3,4-二硝基吡唑。該路線的反應(yīng)方程式如下：

圖3 3-硝基吡唑合成反應(yīng)方程式

在微反應(yīng)器中以吡唑為原料，乙酸酐-硝酸作為硝化劑，進(jìn)行硝化反應(yīng)制備N-硝基吡唑。在反應(yīng)溫度55°C，進(jìn)料摩爾比n(硝酸):n(吡唑)=1.1:1，乙酸酐與硝酸體積比5.5:1,停留時間150s的條件下，吡唑硝化達(dá)到最優(yōu)效果，此時N-硝基吡唑的收率為92.2％，純度99.5%。

(3) 氯苯硝化

實驗中，在微通道反應(yīng)器和常規(guī)反應(yīng)器各自較優(yōu)工藝條件下，比較產(chǎn)物選擇性結(jié)果見表1。

表1 產(chǎn)物選擇性比較

表1結(jié)果表明，在微通道反應(yīng)器中，氯苯單程轉(zhuǎn)化率雖相對較低，但所得到產(chǎn)物中鄰位選擇性有明顯提高，且副產(chǎn)物相對較少。分析原因，尺寸被微型化的微通道反應(yīng)器，強(qiáng)化了傳熱、傳質(zhì)過程，弱化了反應(yīng)中鄰位空間位阻效應(yīng)，利于生成鄰硝基氯苯，提高了氯苯鄰位選擇性。

(4) 2,4-二硝基氯苯

圖4 2,4-二硝基氯苯合成反應(yīng)方程式

由氯苯經(jīng)兩步硝化而得，先用氯苯萃取一硝化廢酸，將萃取氯苯與二硝化廢酸混合，在滴加一硝化混酸在70 ℃行一硝化，分離出一硝基物再用二硝化混酸在50~100 ℃進(jìn)行二硝化，即得到二硝基物，然后用冷卻結(jié)晶法精制即得商品2,4-二硝基氯苯。大規(guī)模生產(chǎn)時，更適合采用微通道反應(yīng)器連續(xù)硝化法。

（5）硝基氯苯合成

氯苯在混酸硝化過程中會同時產(chǎn)生對硝基氯苯和鄰硝基氯苯這兩種同分異構(gòu)體，另外有少量的間硝基氯苯。在反應(yīng)溫度、硝酸與硫酸配比相同的條件下，在間歇反應(yīng)中n(C6H5Cl):n(HNO3)=1:1.3，停留時間為數(shù)小時，對硝基氯苯的產(chǎn)率為57.61%，n(鄰硝基氯苯):n(對硝基氯苯)=0.68；在連續(xù)流(微通道)反應(yīng)器中，n(C6H5Cl):n(HNO3)=1:1.1，停留時間為60s，此時，對硝基氯苯的產(chǎn)率為62.16%，n(鄰硝基氯苯):n(對硝基氯苯)=0.57。從氯苯硝化反應(yīng)的結(jié)果中可以看出，微通道（連續(xù)流）反應(yīng)器技術(shù)降低硝酸用量，大大縮短了氯苯硝化的反應(yīng)時間，提高了對硝基氯苯的產(chǎn)率，在該反應(yīng)中體現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。

（6）硝酸異辛酯

     反應(yīng)釜中異辛醇的硝化溫度低于15℃, 而利用微通道反應(yīng)器進(jìn)行硝化, 反應(yīng)溫度可以在25~40℃之間, 并且沒有副反應(yīng)發(fā)生, 最佳條件下的轉(zhuǎn)化率高達(dá)98.2%。正是由于微反應(yīng)器高效的傳熱效率, 使反應(yīng)溫度基本可以維持恒定, 避免了局部過熱和副反應(yīng)的發(fā)生, 并確保了在較高溫度進(jìn)行反應(yīng)的安全性。

西安萬德能源通過搭建微反應(yīng)硝化成套平臺, 已經(jīng)實現(xiàn)了4000t/a硝酸異辛酯的微反應(yīng)連續(xù)制備。

五、硝化反應(yīng)工藝介紹

硝化反應(yīng)自1834年苯-硝基苯，1842年由硝基苯還原為苯胺，硝化反應(yīng)在工業(yè)上開始應(yīng)用，是向有機(jī)物分子中引入硝基（-NO2）的過程，涉及硝化反應(yīng)的工藝過程為硝化工藝。

最常見的是取代反應(yīng)，硝化可分成直接硝化法、間接硝化法和亞硝化法，進(jìn)一步可細(xì)分為非均相混酸硝化法、硫酸介質(zhì)中的均相硝化、稀硝酸硝化法、濃硝酸硝化法、有機(jī)溶劑中混酸硝化法、乙酸（或乙酐）中的硝化法、置換硝化法和氣相硝化法等，硝化產(chǎn)物一般有硝基化合物、硝胺、硝酸酯和亞硝基化合物等。用到的硝化劑主要有硝酸，無水硝酸和稀硝酸等，由于硝化底物性質(zhì)不同，硝化劑一般不單獨(dú)使用，而是和質(zhì)子酸、有機(jī)酸、酸酐、路易斯酸混合使用。

硝化中硝化劑參加硝化反應(yīng)的活潑質(zhì)點是硝基硝酰陽離子NO2+，在純硝酸中有97%HNO3是以分子態(tài)存在，3%經(jīng)質(zhì)子轉(zhuǎn)移生成NO2+。在硫酸存在下，均相硝化是二級反應(yīng)，動力學(xué)方程一般為v=k[ArH][HNO3]，當(dāng)H2SO4濃度為90%左右時，反應(yīng)速度為最大值；有強(qiáng)吸電子取代基的芳烴在過量濃硝酸中硝化時，其動力學(xué)方程一般為一級反應(yīng)v=k[ArH]。

非均相硝化：當(dāng)被硝化物或硝化產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下都是液體時，常采用非均相硝化，通過強(qiáng)化傳質(zhì)，使有機(jī)相被分散到酸相中完成硝化反應(yīng)；

濃硫酸介質(zhì)中的均相硝化：當(dāng)被硝化產(chǎn)物在反應(yīng)溫度下為固體時，常將被硝化物溶解于大量濃硫酸中，然后進(jìn)行硝化；

稀硝酸硝化一般用于含有強(qiáng)的第一類定位基的芳香族化合物的硝化；濃硝酸硝化往往需要用較大量的硝酸；有機(jī)溶劑中硝化使用接近理論量的硝酸以避免使用大量硫酸,可以改變所得到的硝基異構(gòu)產(chǎn)物的比例。